3. 数据采集硬件接口与驱动层
实时运动控制系统的数据采集质量，首先取决于硬件接口与驱动层能否把物理量稳定、低延迟地转换为软件可用的数字量。本节围绕编码器、霍尔、旋变、ADC、现场总线与工业以太网六类接口，说明它们在软件接入时的关键差异、驱动结构以及工程实现要点。
一、位置与速度反馈接口：编码器、霍尔与旋变
增量式编码器输出 A/B/Z 三路信号，软件接入的核心是正交解码与计数方向判定。以 STM32 定时器编码器模式为例，A、B 接入 TIM 的 CH1、CH2，硬件自动完成四倍频计数，Z 信号接外部中断用于零点校准。读取时需注意计数器位宽与溢出处理：若使用 16 位计数器，单圈脉冲超过 65535 时必须扩展为 32 位软件计数，否则高速段会出现跳变。速度计算常用 M/T 法，在固定采样周期 T 内读取计数差 ΔC，速度 v = ΔC·K / T，其中 K 为每脉冲对应位移。低速时 ΔC 过小导致量化噪声，可切换为测周法，用高频时钟测量相邻脉冲间隔。
霍尔传感器多用于无刷电机的换相与低速位置估计。三路霍尔输出 6 种有效状态，对应电角度每 60° 一个扇区。软件接入时通常配置为带滤波的输入捕获或外部中断，在中断中读取三路电平组合并查表得到扇区号。霍尔分辨率低，不能直接用于高精度位置环，但可与编码器融合：编码器提供高分辨率增量，霍尔提供绝对扇区，上电时用霍尔确定初始电角度，避免换相失败。
旋变（Resolver）输出正弦/余弦两路模拟信号，需经旋变数字转换器（RDC）或 ADC 采样后解调。软件接入的关键是角度解算：对 sinθ、cosθ 采样后，通过反正切或跟踪环路得到角度。以 AD2S1210 为例，其通过 SPI 输出 16 位角度和速度，软件只需按寄存器映射读取并做标定。若用 ADC 直接采样，则需保证两路同步采样，否则高速旋转时 sin/cos 相位偏差会引入角度误差。典型做法是使用双通道同步 ADC 或带采样保持的同步采样芯片。
二、ADC 接口的软件接入
模拟量采集在运动控制中主要用于电流环、母线电压和温度。软件接入时，ADC 的配置要点包括：采样时间与信号源阻抗匹配、触发源选择、DMA 搬运以及校准。以电流采样为例，通常由 PWM 定时器触发 ADC 注入通道，在 PWM 中点采样，避开开关噪声。若使用规则通道扫描多路，需保证总转换时间小于控制周期。DMA 搬运可避免中断开销，但要注意半满/全满中断与数据一致性：若控制周期读取 DMA 缓冲区时数据正在更新，应使用双缓冲或读取前关闭对应通道。
ADC 校准不可省略。以 STM32 为例，上电后需执行 ADC 校准序列，否则零点偏移可达数十 LSB。软件中还应做两点校准：已知零电流时读取偏置，已知参考电压时计算增益。对于电流采样，常见做法是在 PWM 关断期间注入已知测试电流或利用半桥下管导通时采样，得到偏置后写入驱动层。温度采集则需注意 NTC 非线性，通常查表或使用 Steinhart-Hart 公式转换。
三、现场总线与工业以太网接口
现场总线以 CAN/CANopen 和 EtherCAT 为代表。CAN 接口软件接入的核心是报文过滤与周期同步。以 CANopen 为例，从站通过 PDO 映射把位置、速度、状态字映射到报文，主站按 SYNC 周期发送同步帧，从站收到后更新 PDO。软件中需配置对象字典、PDO 映射参数和同步窗口。若使用 CAN 原始帧，则需自行定义 ID 分配和周期，注意总线负载率不宜超过 70%，否则低优先级报文延迟增大。
EtherCAT 采用主站软件协议栈加从站 ESC 的结构。软件接入时，主站需配置过程数据映射（PDO Mapping）、分布式时钟（DC）和看门狗。DC 同步是重点：主站发送 ARMW 帧读取从站时间，计算偏移并写入从站偏移寄存器，使各从站时钟对齐。若 DC 未启用，从站采样时刻会随帧到达抖动，导致多轴同步误差。软件中还应处理从站状态机：INIT→PREOP→SAFEOP→OP，只有进入 OP 后才开始周期数据交换。
工业以太网如 PROFINET、EtherNet/IP 的软件接入通常依赖协议栈库。以 PROFINET 为例，需配置设备名称、IP 地址、GSD 文件以及输入输出模块。实时等级 RT 使用标准以太网，IRT 需要专用硬件。软件中应关注看门狗时间和数据保持策略：通信中断时，输出应进入安全状态而非保持最后值。
四、驱动层统一接入与时间戳
无论哪种接口，驱动层都应向上提供统一的数据结构，例如包含位置、速度、电流、状态和故障码的结构体，并附带采样时间戳。时间戳来源可以是定时器计数或 EtherCAT DC 时间。对于多接口融合，建议在驱动层完成单位统一和坐标定义：位置统一为脉冲或弧度，速度统一为 rad/s 或 mm/s，方向定义需与机械坐标系一致。若编码器计数方向与电机正转相反，应在驱动层取反，而不是在应用层修正，避免后续混淆。
综上，硬件接口与驱动层的软件接入不是简单的寄存器读写，而是围绕同步、校准、溢出、时间戳和协议状态机展开的系统工程。只有把物理量到控制量的链路做稳，上层运动控制算法才有可靠的数据基础。